Die frühesten Organismen, die auf der Erde entstanden, haben als Einzeller kaum fossile Spuren hinterlassen – ihre biografische Rekonstruktion ist deshalb extrem schwierig. Eric Alm und Lawrence David vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge haben deshalb die genetischen Hinterlassenschaften der ersten Lebewesen im Erbgut heutiger Tiere, Pflanzen, Bakterien und Archeen untersucht und mit einem Computermodell ihre Entwicklung im Lauf der Zeit nachverfolgt. Das Ergebnis: Vor rund drei Milliarden Jahren entwickelten sich recht plötzlich zahlreiche neue Gene und mehr als ein Viertel aller Genfamilien, die auch heute noch vorhanden sind – die "archäische Expansion", wie sie die Wissenschaftler nennen.
Baum des Lebens | Das Diagramm zeigt die Entwicklung von Genfamilien über verschiedene Lebewesen hinweg – inklusive Neuentstehungen (roter Sektor im Kreisdiagramm), Verdoppelungen (blau), Genverlusten (gelb) und horizontalen Gentransfers (grün).
Zu dieser Zeit könnte die Fähigkeit zum Elektronentransfer in den Organismen entstanden sein, ein biochemischer Prozess, der Elektronen in den Zellmembranen hin und her bewegen hilft: Er bildet einen entscheidenden Faktor bei der Fotosynthese und Atmung. Dadurch erschlossen sich die Mikroben völlig neue Möglichkeiten, um Energie zu gewinnen. Gleichzeitig begannen sie, immer mehr Sauerstoff zu produzieren, der sich schließlich im Ozean und in der Atmosphäre anreicherte – es kam zum so genannten großen Sauerstoffereignis vor 2,5 Milliarden Jahren. Damals starben viele Mikroorganismen aus, die an anoxische Bedingungen angepasst waren; auf der anderen Seite entstanden zahlreiche neue Arten, die die freien Nischen besetzten. Gleichzeitig entwickelten sich in dieser Phase eine Vielzahl neuer Gene, die oxidative Prozesse steuerten.
Für die Studie packten Alm und Co. 4000 Genfamilien aus 100 Genomen in ihr mathematisches Modell und berechneten das wahrscheinlichste Evolutionsszenario. Sie berücksichtigten dabei, dass Gene sich durch Mutation vervielfachen oder verloren gehen und zwischen Mikroorganismen auch ausgetauscht werden können. Anhand der Verbreitung einzelner Gene über die Genome hinweg kann man zudem darauf zurückschließen, wann sie ungefähr erstmals aufgetreten sind, und so einen Stammbaum des Lebens erstellen. (dl)
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